Ten protokół opisuje opartą na cytometrii przepływowej, wysokoprzepustową metodę przesiewową w celu identyfikacji małocząsteczkowych leków, które hamują aktywację integryny β2 na ludzkich neutrofilach.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół opisuje opartą na cytometrii przepływowej, wysokoprzepustową metodę przesiewową w celu identyfikacji małocząsteczkowych leków, które hamują aktywację integryny β2 na ludzkich neutrofilach.
Ten protokół ma na celu ustanowienie metody identyfikacji małych molekularnych antagonistów aktywacji integryny β2, wykorzystując przeciwciała zgłaszające zmiany konformacyjne i wysokoprzepustową cytometrię przepływową. Metoda ta może również służyć jako przewodnik dla innych wysokoprzepustowych metod badań przesiewowych opartych na przeciwciałach. Integryny β2 to cząsteczki adhezyjne specyficzne dla leukocytów, które mają kluczowe znaczenie w odpowiedziach immunologicznych. Neutrofile polegają na aktywacji integryny, aby opuścić krwioobieg, nie tylko w celu zwalczania infekcji, ale także w celu wzięcia udziału w wielu chorobach zapalnych. Kontrolowanie aktywacji integryny β2 stanowi realne podejście do leczenia chorób zapalnych związanych z neutrofilami. W tym protokole przeciwciało monoklonalne, mAb24, które specyficznie wiąże się z głowicą o wysokim powinowactwie integryn β2, jest wykorzystywane do ilościowego oznaczania aktywacji integryny β2 na izolowanych pierwotnych ludzkich neutrofilach. N-formylometylo-leucylo-fenyloalanina (fMLP) jest stosowana jako bodziec do aktywacji integryn β2 neutrofili. W badaniu wykorzystano wysokoprzepustowy cytometr przepływowy, zdolny do automatycznego uruchamiania próbek z płytek 384-dołkowych. Wpływ 320 substancji chemicznych na hamowanie integryny β2 ocenia się w ciągu 3 godzin. Dzięki temu podejściu można zidentyfikować cząsteczki, które są bezpośrednio ukierunkowane na integryny β2 lub cząsteczki docelowe w inicjowanym przez receptor białkowym białku G szlaku sygnalizacji aktywacji integryny od wewnątrz na zewnątrz.
Wiele chorób zapalnych charakteryzuje się infiltracją neutrofili w miejscu obrzęku lub urazu1. Aby przeniknąć do tych tkanek, neutrofile muszą przejść przez kaskadę rekrutacji neutrofili, która obejmuje zatrzymanie do śródbłonka, wynaczynienie przez ścianę naczynia i rekrutację do tkanki2. Krążące neutrofile potrzebują aktywacji integryny β2, aby zakończyć tę kaskadę, szczególnie w fazie zatrzymania. Tak więc leki hamujące integryny, które zmniejszają adhezję neutrofili, wynaczynienie i rekrutację, mogą skutecznie leczyć choroby zapalne3,4.
β2 integryny były już wcześniej celem chorób zapalnych. Efalizumab, przeciwciało monoklonalne skierowane bezpośrednio przeciwko integrynie αLβ2, zostało opracowane w leczeniu łuszczycy5. Jednak efalizumab został wycofany ze względu na jego śmiertelny skutek uboczny - postępującą wieloogniskową leukoencefalopatię wynikającą z reaktywacji wirusa JC6,7. Nowe terapie przeciwzapalne oparte na integrynach powinny uwzględniać utrzymanie funkcji przeciwinfekcyjnych leukocytów w celu zminimalizowania skutków ubocznych. Skutki uboczne efalizumabu mogą wynikać z przedłużonego krążenia przeciwciał monoklonalnych w krwiobiegu, które mogą hamować funkcje immunologiczne w dłuższej perspektywie8. Niedawne badanie pokazuje, że efalizumab pośredniczy w sieciowaniu αLβ2 i niepożądanej internalizacji integryn α4, zapewniając alternatywne wyjaśnienie skutków ubocznych9. Tak więc krótkowieczni, małocząsteczkowi antagoniści mogą uniknąć tego problemu.
Przedstawiono tutaj wysokoprzepustową metodę badania małocząsteczkowych antagonistów integryny β2 przy użyciu ludzkich neutrofili. Aktywacja integryny β2 wymaga zmian konformacyjnych ektodomeny integryny, aby uzyskać dostęp do liganda i zwiększyć jego powinowactwo wiązania. W kanonicznym modelu switchblade, ektodomena wygiętej integryny najpierw rozciąga się do konformacji rozszerzonej-zamkniętej, a następnie otwiera swoją głowicę do w pełni aktywowanej konformacji rozszerzonej-otwartej10,11,12,13. Istnieje również alternatywna ścieżka, która zaczyna się od zagiętego zamkniętego do wygiętego-otwartego i rozszerzonego-otwartego, ostatecznie14,15,16,17,18,19. Przeciwciało specyficzne dla konformacji mAb24 wiąże się z epitopem w ludzkiej domenie podobnej do β2-I, gdy głowica ektodomeny jest otwarta20,21,22,23.
Tutaj mAb24-APC służy do określenia, czy integryny β2 są aktywowane. Aby aktywować neutrofile i integrynę, N-formylometylo-leucylo-fenyloalanina (fMLP), krótki peptyd chemotaktyczny pochodzenia bakteryjnego, który może aktywować integryny β2 neutrofili24, jest używany jako bodziec w tym protokole. Kiedy fMLP wiąże się z Fpr1 na neutrofilach, aktywowane są kaskady sygnałowe obejmujące białka G, fosfolipazę Cβ i γ kinazy fosfoinozytolu. Te zdarzenia sygnalizacyjne ostatecznie skutkują aktywacją integryny poprzez szlak sygnalizacyjny inside-out18,25. Oprócz małocząsteczkowych antagonistów, którzy bezpośrednio wiążą się z integrynami β2 i zapobiegają zmianom konformacyjnym aktywacji integryny26, za pomocą tej metody wykryte zostaną również związki, które mogą hamować składniki szlaku sygnalizacji aktywacji integryny β2 inside-out. Zautomatyzowane cytometry przepływowe umożliwiają wysokoprzepustowe badania przesiewowe. Identyfikacja nowych antagonistów może nie tylko pogłębić naszą wiedzę na temat fizjologii integryny, ale także zapewnić wgląd w translacyjny wgląd w terapię przeciwzapalną opartą na integrynie.
Heparynizowane próbki krwi pełnej zostały pobrane od niezidentyfikowanych zdrowych dawców ludzkich po uzyskaniu świadomej zgody, zatwierdzonej przez Institutional Review Board of UConn Health, zgodnie z zasadami Deklaracji Helsińskiej. Uzyskano świadomą zgodę od wszystkich dawców. Kryteria włączenia/wykluczenia dla tego badania zostały starannie opracowane, aby zapewnić odpowiednią kwalifikację uczestników i zminimalizować potencjalne ryzyko. Uprawnieni uczestnicy byli w wieku od 18 do 65 lat, niezależnie od pochodzenia etnicznego, biegle posługiwali się językiem angielskim i byli zdolni do wyrażenia świadomej zgody. Wykluczeni uczestnicy obejmowali osoby, które nie były w stanie wyrazić świadomej zgody dla siebie, takie jak osoby wymagające prawnie upoważnionego przedstawiciela, osoby poniżej 18 roku życia lub powyżej 65 lat, osoby osadzone w więzieniach i kobiety w ciąży. Dodatkowo uczestnicy musieli być wolni od stosowania leków przeciwzapalnych i stanów zapalnych. Obecne infekcje lub trwające przewlekłe lub ostre stany zapalne były również kryteriami wykluczenia. Wreszcie, osoby z aktualną lub niedawną historią zakażenia COVID-19 nie kwalifikowały się do badania. Kryteria te zostały opracowane w celu zapewnienia bezpieczeństwa i przydatności uczestników przy jednoczesnej minimalizacji potencjalnych czynników zakłócających, które mogłyby mieć wpływ na wyniki badania.
1. Przygotowanie odczynników
2. Izolacja neutrofili z ludzkiej krwi
3. Przygotowanie płytki 384-dołkowej
4. Leczenie komórek
5. Cytometria przepływowa
6. Analiza danych
Dane z reprezentatywnego przesiewu na płytce 384-dołkowej (Rycina 4) wykazały, że kontrole negatywne miały MFI dla mAb24-APC wynoszące 3236 ± 110, podczas gdy kontrole pozytywne miały MFI dla mAb24-APC wynoszące 7588 ± 858. Współczynnik Z' dla tej płytki wynosi około 0,33, co mieści się w dopuszczalnym zakresie31. Niemniej jednak, Z' wymaga dalszej walidacji w testach wtórnych.
W celu normalizacji danych wszystkie wartości zostały przeskalowane tak, aby przypisać wartość maksymalną 1 do średniej dodatniej i wartość minimalną 0 do średniej ujemnej. Współczynnik Z' zostanie poddany bardziej rygorystycznej walidacji w testach wtórnych. Próg odcięcia dla tej płytki ustalono na poziomie 0,41, co oznacza, że próbki z relatywnym MFI niższym niż 0,41 zostaną uznane za trafienia hamujące indukowaną fMLP aktywację integryny β2 w ludzkich neutrofilach. Na tej płytce nie zidentyfikowano żadnych trafień.
Aby potwierdzić skuteczność protokołu, zastosowano Nexinhib20, który hamuje aktywację β2 integryny poprzez antagonizowanie funkcji Rac-1, oraz lifitegrast, który bezpośrednio antagonizuje integrynę αLβ232,33. Czas inkubacji dostosowano jednak do jednej godziny dla Nexinhib20 i pół godziny dla lifitegrastu. Uzyskane dane z tych eksperymentów znormalizowano przy użyciu tej samej metody skalowania opisanej powyżej. Następnie punkty danych te połączono z wynikami z płytek i przeanalizowano zbiorczo (Rysunek 4).

Rycina 1: Układ płytki do przesiewania związków. Schemat ilustrujący rozmieszczenie badanych związków i kontroli w płytce 384-dołkowej. Dołki kontroli negatywnej zaznaczono na niebiesko (kolumny 1 i 23), a dołki kontroli pozytywnej na czerwono (kolumny 2 i 24). Dołki testowe przedstawiono w kolorze beżowym (kolumny od 3 do 22). Strzałki wskazują kolejność odczytu płytki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Separacja neutrofili z wykorzystaniem medium gradientu gęstości. Reprezentatywne zdjęcia demonstrujące prawidłową i nieprawidłową separację neutrofili z wykorzystaniem medium gradientu gęstości. (A) Początkowo 4 mL krwi nakłada się warstwowo na 8 mL medium gradientu gęstości. (B) Po wirowaniu powinny być widoczne dwa mętne pasma: górne pasmo zawierające głównie mononuklearne komórki krwi obwodowej (PBMCs) oraz dolne pasmo zawierające głównie neutrofile wraz z pewną ilością erytrocytów (RBCs). Większość erytrocytów osadza się na dnie. (C) Nieprawidłowa separacja, w której erytrocyty nie zostały osadzone, a pasmo neutrofili nie jest widoczne. Do wydzielenia pasma neutrofili wymagane byłoby dodatkowe wirowanie (10-30 min). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Gating neutrofili z wykorzystaniem wykresów FSC/SSC. Reprezentatywne wykresy rozproszenia światła w przód (FSC) oraz rozproszenia bocznego (SSC) ilustrujące strategię gatingu w celu identyfikacji neutrofili. (A) Neutrofile są wyznaczane (gating) na podstawie pola rozproszenia w przód (FSC-A) i rozproszenia bocznego (SSC-A) zarejestrowanego przez cytometr przepływowy. (B) Pojedyncze komórki są następnie wyznaczane na podstawie szerokości (FSC-W) i wysokości (FSC-H) rozproszenia w przód, a (C) szerokości (SSC-W) i wysokości (SSC-H) rozproszenia bocznego. Skala kolorystyczna reprezentuje gęstość komórek, przechodząc z koloru czerwonego przez żółty i zielony do niebieskiego wraz ze spadkiem gęstości. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Wyniki przesiewania na reprezentatywnej płytce 384-dołkowej. Wyniki przesiewania z reprezentatywnej płytki 384-dołkowej, wykazujące współczynnik Z' wynoszący 0,3. Kontrole negatywne i pozytywne są oznaczone odpowiednio niebieskimi i czerwonymi kropkami. Próbki testowe traktowane różnymi związkami są przedstawione jako beżowe kropki. Linia przerywana reprezentuje wartość odcięcia średniej intensywności fluorescencji (MFI) służącą do identyfikacji hitów. Żaden z testowanych związków nie został zidentyfikowany jako antagonista integryny β2, ponieważ wszystkie przetestowane związki wykazały wartości MFI powyżej linii odcięcia. Wyniki z niezależnych eksperymentów testujących znane antagonisty integryny β2 przy różnych czasach inkubacji (Nexinhib20 przez 1 h, lifitegrast przez pół godziny) zostały połączone w celu prezentacji na tym rysunku. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Inicjacja i zakończenie stymulacji i barwienia neutrofili jest determinowane przez dodanie neutrofili i utrwalacza PFA. Dlatego tak ważne jest zapewnienie takiego samego odstępu czasu między pipetowaniem neutrofili lub PFA do każdej kolumny. Gwarantuje to, że czas stymulacji i barwienia neutrofili z każdej studzienki pozostaje stały. Ze względu na krótką żywotność neutrofili cały eksperyment, od pobrania krwi od dawców do zakończenia cytometrii przepływowej, musi zostać przeprowadzony tego samego dnia. Neutrofile są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury i mogą ulec aktywacji pod wpływem gwałtownych wzrostów temperatury, takich jak przejście z 4 °C do temperatury pokojowej lub z temperatury pokojowej do 37 °C. Dodatkowo, w oparciu o nasze wcześniejsze doświadczenia, indukowana przez fMLP aktywacja integryny neutrofili β2 nie zachodzi, gdy komórki są przechowywane na lodzie lub w temperaturze 4 °C (dane nie pokazane). Dlatego przed utrwaleniem krew pełną i neutrofile należy przechowywać w temperaturze pokojowej lub 20 °C (podczas etapu wirowania izolacyjnego). Nie umieszczaj krwi pełnej i neutrofili na lodzie.
Barwienie mAb24 w kontrolach ujemnych powinno dać bardzo niskie wyniki. Jeśli w eksperymencie zaobserwuje się wysoki poziom barwienia mAb24, należy sprawdzić, co następuje: (1) czy podczas eksperymentu przed utrwaleniem nastąpiła znacząca zmiana temperatury; (2) czy w pożywce neutrofilowej doszło do zanieczyszczenia fMLP lub endotoksynami; (3) czy obchodzenie się z próbką było zbyt agresywne, np. wytwarzanie pęcherzyków podczas pipetowania i mieszania.
Obecny protokół wykorzystuje mAb24 do zgłaszania otwarcia głowicy integryny β2. Teoretycznie KIM127, przeciwciało monoklonalne informujące o rozszerzeniu integryn β234,35, może być stosowane w połączeniu z mAb24 do kompleksowej oceny konformacji integryny β2. Jednak stosunek sygnału do szumu barwienia KIM127 (1,5 do 2 razy) nie jest tak korzystny jak w przypadku mAb24 (od 5 do 10 razy), co zwykle nie zapewnia zadowalającego współczynnika Z' w teście płytkowym 384-dołkowym. W teście na 96-dołkowej płytce próbki można umyć przed wykonaniem cytometrii przepływowej, redukując rozpuszczalne sygnały tła pochodzące od przeciwciał. Dlatego test oparty na KIM127 można przeprowadzić w teście na płytce 96-dołkowej, która ma niższą przepustowość w porównaniu z testem na płytce 384-dołkowej.
Ponieważ metoda ta wykorzystuje intensywność fluorescencji jako odczyt do oceny hamującego działanie leków na integryny, niektóre leki fluorescencyjne mogą zakłócać wyniki. Dodatkowo, toksyczne leki, które indukują śmierć neutrofili w ciągu 10-minutowego okresu stymulacji, również wydają się zgłaszać hamowanie integryny. Leki, które hamują degranulację neutrofili, hamują ogólną ekspresję integryny β2. Te inhibitory degranulacji zostaną również zidentyfikowane w naszych badaniach przesiewowych. W związku z tym konieczne jest wtórne badanie przesiewowe z innymi kontrolami, aby potwierdzić hamujące działanie trafień. Ekrany wtórne są przywoływane jako środek zarówno do walidacji, jak i określenia mechanizmu działania trafień. Oprócz powtórzenia testów mAb24, całkowita ekspresja CD18 na powierzchni komórki zostanie oceniona przy użyciu przeciwciała anty-ludzkiego CD18. Poziom aktywowanej integryny β2, mierzony za pomocą mAb24, zostanie znormalizowany przez całkowitą ekspresję CD18. Umożliwi nam to ustalenie, czy mechanizm działania czynnika polega na antagonizowaniu aktywacji integryny i/lub hamowaniu ekspresji CD18 na powierzchni komórki. Należy również przeprowadzić test żywotności na wtórnym sicie, aby wykluczyć wszelkie toksyczne skutki trafień.
Ten protokół ma ograniczenia. Po pierwsze, mAb24 jest w stanie wykryć domenę podobną do β2 I tylko w przypadkach, gdy integryna jest w stanie wysokiego powinowactwa. W związku z tym nie może zidentyfikować α/β podobnych do I-podobnych antagonistów allosterycznych, takich jak lifitegrast, poprzez zmniejszenie wiązania mAb24. Lifitegrast indukuje więcej wiązania mAb2432 i wykazuje nienormalnie zwiększoną wartość MFI z mAb24 (ryc. 4). W przypadku takich nieprawidłowych wartości mogą być potrzebne inne testy, aby sprawdzić, czy te trafienia są α/β podobnymi do I-podobnych antagonistów allosterycznych, takich jak lifitegrast. Po drugie, współczynnik Z' dla tego testu jest nieoptymalny i potencjalnie można go poprawić dzięki zastosowaniu automatycznego pipetowania i mieszania. Niestety, nasze laboratorium nie dysponuje niezbędną aparaturą do przetestowania tej hipotezy. Powielanie lub trzykrotne testowanie będzie pomocne w identyfikacji wyników fałszywie dodatnich i ujemnych w przypadku, gdy czynnika Z' nie można dalej poprawić za pomocą powyższych metod. Ponadto korzystne może być wydłużenie czasu inkubacji w celu zidentyfikowania większej liczby trafień, jak zaobserwowano w przypadku znanego inhibitora aktywacji integryny β2 Nexinhib20, który wymaga godziny inkubacji, aby wywołać efekty hamujące. Badanie to koncentrowało się na identyfikacji szybko działających środków. Naukowcy powinni pamiętać, że mogą modyfikować czas inkubacji, aby dostosować go do swoich konkretnych potrzeb.
Według naszej wiedzy jest to pierwsza wysokoprzepustowa metoda przesiewowa w kierunku antagonistów integryny β2. Podejście to może być wykorzystane do identyfikacji związków małocząsteczkowych, które bezpośrednio wiążą się z integrynami β2 i zapobiegają zmianom konformacyjnym prowadzącym do stanów integryny o pośrednim/wysokim powinowactwie, podobnie jak antagoniści bez właściwości "agonistycznych" opisanych niedawno dla integryn αIIbβ3 i α4β126. Neutrofile mają kluczowe znaczenie w wielu chorobach zapalnych, takich jak uszkodzenie niedokrwienno-reperfuzyjne mięśnia sercowego36, posocznica37 i choroby autoimmunologiczne38,39. Leki małocząsteczkowe mogą oferować większą elastyczność w leczeniu tych chorób w porównaniu z lekami opartymi na przeciwciałach. Trafienia z naszego ekranu mogą dostarczyć potencjalnych metod leczenia chorób zapalnych.
Obecna metoda to wysokoprzepustowe badanie przesiewowe oparte na przeciwciałach fluorescencyjnych. Ponieważ przeciwciała reporterowe aktywacji są również dostępne dla β1 40,41,42,43,44, αIIbβ3 45,46 i integryn αL 47,48,49,50, metodę tę można rozszerzyć o identyfikację antagonistów dla innych integryn. Konformacyjnie wrażliwe przeciwciało, takie jak HUTS-21, które wiąże się z domeną hybrydową β1 51,52,53, zostało użyte w wysokoprzepustowym badaniu przesiewowym w celu identyfikacji bardzo późnych antagonistów allosterycznych antygenu-4 (VLA-4, integryna α4β1) 54. Obecna metoda badań przesiewowych może być również modyfikowana i rozszerzana w celu znalezienia leków, które hamują lub promują ekspresję innych receptorów powierzchniowych, takich jak związki zwiększające ekspresję powierzchniową transbłonowego regulatora przewodnictwa mukowiscydozy (CFTR) na komórkach mukowiscydozy (CF). W mukowiscydozie wielokrotne mutacje prowadzą do nieprawidłowego fałdowania CFTR, co skutkuje brakiem ekspresji CFTR na błonie komórkowej55. Wykazano, że leki małocząsteczkowe przywracają ekspresję CFTR56. W celu modyfikacji protokołu konieczne jest wydłużenie czasu inkubacji leków do kilku godzin, aby umożliwić zajście zmian w ekspresji białek.
Autorzy deklarują brak konkurencyjnych interesów finansowych.
Dziękujemy dr Evanowi Jellisonowi i pani Li Zhu z centrum cytometrii przepływowej w UConn Health za ich pomoc w cytometrii przepływowej, dr Lynn Puddington z Wydziału Immunologii UConn Health za wsparcie instrumentów, Pani Sławie Gajewskiej i dr Paulowi Appletonowi z centrum badań klinicznych w UConn Health za ich pomoc w uzyskaniu próbek krwi. Dziękujemy dr Christopherowi "Kit" Boninowi i dr Genewie Hargis z UConn School of Medicine za ich pomoc w pisaniu naukowym i redagowaniu tego manuskryptu. Badania te były wspierane przez granty z National Institutes of Health, National Heart, Lung, and Blood Institute (R01HL145454), National Institute of General Medical Sciences (P20GM121176), USA, Career Development Award od American Heart Association (18CDA34110426) oraz fundusz startowy od UConn Health. Rysunek 1 został utworzony za pomocą BioRender.com.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pipety 16-kanałowe | Thermo | 4661090N | |
| Instrument 384-dołkowa płytka | Greiner | 784201 | Materiały |
| APC anty-ludzkie CD11a/CD18 (LFA-1) Klon przeciwciała: m24 | BioLegend | 363410 | Odczynniki |
| Bravo Zautomatyzowana platforma do obsługi cieczy | Agilent | 16050-102 | 384 wielokanałowa wirówka do obsługi cieczy |
| Eppendorf | Model 5810R | Przepływ przyrządu | |
| Jo | Becton, Dickinson & Firma | NA | Software |
| Roztwór albuminy ludzkiej surowicy (25%) | Odczynniki GeminiBio | 800-120 | |
| Lifitegrast | Thermofisher | 50-208-2121 | Odczynniki |
| Nexinhib20 | Tocris | 6089 | Odczynniki |
| N-Formyl-Met-Leu-Phe (fMLP) | Sigma | F3506 | Odczynniki |
| Paraformaldehyd 16% roztwór | Mikroskopia elektronowa Sciences | 15710 | Odczynniki |
| Wiadra płytkowe | Eppendorf | UL155 | Akcesorium |
| Wytrząsarka do płytek | Fisher | 88-861-023 | Instrument |
| PolymorphPrep | PROGEN | 1895 (poprzedni 1114683) | |
| Odczynniki Biblioteka chemiczna Prestwick Płytki złożone (10 mM) | Biblioteki chemiczne Prestwick | Ver19_384 | 1520 małych cząsteczek, 98% zatwierdzonych do obrotu leków (zatwierdzone przez FDA, EMA, JAN i inne agencje) |
| RPMI 1640 Medium, bez czerwieni fenolowej | Odczynniki Gibco | 11-835-030 | |
| Wirnik czerpako-huśtawkowy | Analizator komórek Eppendorf | A-4-62 | Rotor |
| ZE5 | Instrument Bio-Rad Laboratories | Model ZE5 |